茍武侯，張路，李國(guó)相

(1． 北京航天易聯(lián)科技發(fā)展有限公司，北京100176；2． 中國(guó)石化銷售華中分公司，湖北武漢430070)

隨著管道運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，管道傳輸距離不斷增加，為了確保管道的清潔，降低腐蝕性物質(zhì)對(duì)管道內(nèi)壁的腐蝕損傷，石油、天然氣等輸送管道需要定期清潔及維護(hù)[1]，所以清管器的工作狀態(tài)、實(shí)時(shí)定位監(jiān)測(cè)是管道管理部門非常重視的內(nèi)容。由于管道清理過(guò)程中出現(xiàn)的清管器故障、卡阻等現(xiàn)象直接影響管道的安全運(yùn)行，必須及時(shí)定位事故點(diǎn)并采取必要的應(yīng)急措施，因此對(duì)清管器移動(dòng)軌跡的監(jiān)測(cè)具有重要的實(shí)際意義[2-5]。

常見的清管器跟蹤定位技術(shù)包括聲波檢測(cè)法、電磁感應(yīng)法、放射性同位素法、機(jī)械法、壓力脈沖法等[6-9]，但常規(guī)的定位方法在實(shí)時(shí)定位和定位精度等問(wèn)題上存在一定難度。本文介紹的光纖預(yù)警系統(tǒng)在清管器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了清管器工作過(guò)程中的實(shí)時(shí)定位與軌跡跟蹤。光纖預(yù)警技術(shù)已經(jīng)逐步成熟[10-14]，在長(zhǎng)距離油氣管道監(jiān)測(cè)中的安全防護(hù)作用顯著，同時(shí)降低了人工、管道安全維護(hù)及能源運(yùn)輸成本[15-17]。

文中列舉的管道清管器在固定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)管道疏通清潔[18]，以保障輸油的通暢，常見的清管器外形如圖1所示。

圖1 常見的清管器外形示意

1 光纖預(yù)警系統(tǒng)原理

光纖預(yù)警系統(tǒng)主要由分布式光纖傳感器、光源及數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[19-21]。清管器在管道內(nèi)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定幅度振動(dòng)信號(hào)，該振動(dòng)信號(hào)可以被同溝敷設(shè)在管道附近的分布式光纖傳感器捕捉，采集的信號(hào)經(jīng)光源及數(shù)據(jù)采集模塊處理后上傳至數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)采集的信號(hào)做進(jìn)一步的檢測(cè)、識(shí)別、處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)清管器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2 光纖預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.1 定位原理

光纖預(yù)警系統(tǒng)基于背向瑞利散射原理，由光源模塊持續(xù)將光脈沖注入分布式光纖傳感器的首端，通過(guò)光電探測(cè)模塊探測(cè)返回首端的瑞利散射光，當(dāng)清管器在某個(gè)位置發(fā)生振動(dòng)時(shí)，分布式光纖傳感器對(duì)應(yīng)位置的折射率發(fā)生變化，使該處光相位發(fā)生偏移，由于干涉作用，相位的偏移將引起背向瑞利散射光光強(qiáng)發(fā)生變化。

通過(guò)光電探測(cè)模塊探測(cè)返回首端的瑞利散射光，經(jīng)放大電路及模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，上傳至數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步的處理。系統(tǒng)光脈沖重復(fù)頻率為1 kHz，采集卡采集頻率為20 MHz，采集到的振動(dòng)信號(hào)為32位浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)預(yù)處理提取每秒的數(shù)據(jù)信號(hào)特征。

1.2 定位距離的計(jì)算

圖2中清管器產(chǎn)生的振動(dòng)作用在分布式光纖傳感器上，由于干涉作用，會(huì)對(duì)背向瑞利散射光的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)記錄光脈沖發(fā)射和接收到振動(dòng)的時(shí)間差，可以實(shí)現(xiàn)清管器位置的定位，光纖預(yù)警系統(tǒng)的定位距離可以由式(1)求得：

L=ΔTv/2

(1)

式中： ΔT——光脈沖發(fā)射和接收到振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間差，s；v——光在光纖中的速度，v=c/λ；c——光在真空中的速度，m/s；λ——光纖折射率。

采集卡采集到的背向瑞利散射光的強(qiáng)度IB如式(2)所示[22]：

IB=I0Fvαsτ{1+cos[Φ+Bf(t)]}

(2)

式中：I0——光纖首端注入的光脈沖強(qiáng)度；F——散射光返回入射方向的比例；аs——瑞利散射系數(shù)；τ——發(fā)射光的光脈沖時(shí)間寬度，μs；Ф——光脈沖上升沿與下降沿的相位差；B——干擾系數(shù)；f(t)——外界振動(dòng)干擾。

由式(2)可知，IB與f(t)具有直接關(guān)系，因此通過(guò)相關(guān)處理可以實(shí)現(xiàn)清管器探測(cè)及準(zhǔn)確定位。

2 光纖預(yù)警系統(tǒng)清管器軌跡監(jiān)測(cè)效果驗(yàn)證

2.1 清管器監(jiān)測(cè)實(shí)例

本文以華中某區(qū)域A站至B站的光纖預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，介紹監(jiān)控區(qū)域輸油管道內(nèi)清管器工作軌跡監(jiān)測(cè)案例。在A站和B站各部署了1套光纖預(yù)警系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)A站至B站的管道。

2018年7月9日，A站工作人員在管道出站首端投放1臺(tái)清管器，對(duì)管道實(shí)施清潔作業(yè)；在B站管轄范圍沿線設(shè)置了多個(gè)人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)清管器經(jīng)過(guò)的時(shí)間及準(zhǔn)確位置；同時(shí)工作人員通過(guò)光纖預(yù)警系統(tǒng)跟蹤定位清管器的移動(dòng)軌跡，對(duì)比分析光纖預(yù)警系統(tǒng)對(duì)清管器的定位誤差。

B站工作人員從2018年7月10日0時(shí)起開始監(jiān)測(cè)清管器的位置信息，在6個(gè)固定跟蹤點(diǎn)對(duì)清管器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，工作人員監(jiān)測(cè)的位置信息與光纖預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的位置信息見表1所列。

表1 清管器的監(jiān)測(cè)位置信息 km

表1中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果為清管器距B站的實(shí)際距離，將光纖預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)位置與實(shí)際監(jiān)測(cè)位置對(duì)比，光纖預(yù)警系統(tǒng)的定位誤差曲線如圖3所示，同時(shí)得出以下結(jié)論：

1)對(duì)于指定的多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，光纖預(yù)警系統(tǒng)均可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到清管器的位置。

2)清管器的移動(dòng)位置與時(shí)間具有較好的線性關(guān)系，清管器在管道內(nèi)基本以勻速移動(dòng)。

3)光纖預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的清管器位置與實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)的定位誤差較小，均控制在1 km以內(nèi)。

圖3 監(jiān)測(cè)時(shí)間清管器定位誤差曲線

2.2 效果分析

圖4所示為2018年7月10日0時(shí)起光纖預(yù)警系統(tǒng)覆蓋部分區(qū)域的信號(hào)瀑布圖，其中橫坐標(biāo)為監(jiān)測(cè)位置距離收球點(diǎn)的距離，縱坐標(biāo)為時(shí)間，黑點(diǎn)表示在對(duì)應(yīng)的時(shí)刻和位置產(chǎn)生了1個(gè)振動(dòng)信號(hào)，瀑布圖描述了光纖預(yù)警系統(tǒng)采集到的距B站15～30 km管道沿線的振動(dòng)情況。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況分析圖4可知：

1)虛線處為清管器移動(dòng)軌跡，清管器于2018年7月10日0時(shí)自30 km處勻速向收球點(diǎn)移動(dòng)，于當(dāng)日4時(shí)20分左右移動(dòng)到15 km處，可以直觀地監(jiān)測(cè)出清管器的移動(dòng)軌跡。

2)清管器以約3.4 km/h的速度移動(dòng)，全線監(jiān)測(cè)效果良好。

圖4 光纖預(yù)警系統(tǒng)覆蓋區(qū)域信號(hào)瀑布示意

綜上分析可知，由于光纖預(yù)警系統(tǒng)采用分布式光纖傳感器采集清管器工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，可以實(shí)時(shí)跟蹤清管器的位置，避免了常規(guī)固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法中存在的清管器監(jiān)測(cè)盲區(qū)等情況；同時(shí)，該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)清管器的定位誤差較小，具有對(duì)清管器移動(dòng)位置精確定位的能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了光纖預(yù)警系統(tǒng)在清管器軌跡跟蹤定位中的實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)采用分布式光纖傳感器采集清管器工作時(shí)在管道內(nèi)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了清管器的定位、跟蹤與實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)測(cè)，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。